ES2260109T3 - Procedimiento para formar una linea de debilitamiento en una pieza estructural fracturable, especialmente con una disposicion de cojinete. - Google Patents

Procedimiento para formar una linea de debilitamiento en una pieza estructural fracturable, especialmente con una disposicion de cojinete.

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ES2260109T3 ES01106207T ES01106207T ES2260109T3 ES 2260109 T3 ES2260109 T3 ES 2260109T3 ES 01106207 T ES01106207 T ES 01106207T ES 01106207 T ES01106207 T ES 01106207T ES 2260109 T3 ES2260109 T3 ES 2260109T3
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Clemens Luchner
Nigel Dr. Stothard
Jurgen Mittrach
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    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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Abstract

Procedimiento para formar una línea de debilitamiento (1) en una pieza estructural fracturable, especialmente con una disposición de cojinete, - en el que, para producir una fisuración dependiente de la fuerza de fractura, se dispone en una zona de material quebradizo una línea de debilitamiento (1) formada cerca de la superficie por medio de cavidades (4) dispuestas en fila y distanciadas una de otra a través de puentes de unión (3), caracterizado porque - la zona de material quebradizo se genera como una fase mixta quebradiza (8) al efectuar una unión térmica positiva de material entre un material de base (5) de la pieza estructural (2) y un material adicional (7) que sirve de base de apoyo funcional (6).

Description

Procedimiento para formar una línea de debilitamiento en una pieza estructural fracturable, especialmente con una disposición de cojinete.
La invención se refiere, según el preámbulo de la reivindicación 1, a un procedimiento para formar una línea de debilitamiento en una pieza estructural fracturable, especialmente con una disposición de cojinete, en el que, para provocar una fisura en función de la fuerza de fractura, se dispone en una zona de material quebradizo una línea de debilitamiento formada cerca de la superficie por medio de cavidades dispuestas en fila y distanciadas mutuamente a través de puentes de unión.
Un procedimiento descrito en el preámbulo de la reivindicación 1 es conocido, por ejemplo, por el documento EP 0 613 765 A1, en donde las líneas de debilitamiento producidas por medio de un láser comprenden un gran número de taladros ciegos distanciados uno de otro y dispuestos uno tras otro en forma lineal. El gran número de taladros ciegos a lo largo de una línea o línea de debilitamiento sirve para formar puentes de unión de débil sección transversal entre los distintos taladros ciegos, generándose en los puentes de unión por medio de una carga de flexión de la pieza de trabajo unas tensiones de tracción que sobrepasan la resistencia de los puentes de unión y que conducen a la formación de fisuras. Esta mecánica de fractura puede aplicarse a materiales tales como cerámica, plástico y metal, según se ha revelado en las líneas 11 y 12 de la página 6 del documento genérico anteriormente citado.
Asimismo, se conoce por el documento DE 43 03 592 A1 una pieza estructural fracturable con una base de apoyo funcional dispuesta en acoplamiento térmico positivo de material, la cual se fractura también al fracturar la pieza estructural. La línea de debilitamiento de la pieza estructural configurada como una biela es una entalladura forjada de iniciación de fisura que tiene que producirse en un procedimiento relativamente complejo.
La formación de capas funcionales por medio de un rayo rico en energía, tal como, por ejemplo, un láser, está descrita en los documentos DE 37 15 325 A1 y DE 38 13 802 A1.
La invención se basa en el problema de simplificar procedimientos del género expuesto de tal manera que se supriman medidas adicionales para formar una línea de debilitamiento.
Este problema se ha resuelto con la reivindicación 1 por el hecho de que la zona de material quebradizo se genera como una fase mixta quebradiza al efectuar una unión térmica positiva de material entre un material de base de la pieza estructural y un material adicional que sirve como base de apoyo funcio-
nal.
Con la invención se aprovecha de manera ventajosa el conocimiento de que al efectuar una unión térmica positiva de material entre dos materiales diferentes, especialmente metales, se forma una fase mixta quebradiza en la que se pueden generar por medio de cavidades dispuestas en fila, preferiblemente taladros ciegos, unos puentes de unión relativamente cortos entre las cavidades, en los cuales, al iniciarse una fuerza de fractura, se generan en la dirección del plano de fracturación las fisuras iniciales necesarias para la fracturación.
Preferiblemente, la fase mixta quebradiza se genera por medio de un rayo rico en energía al fundir el material de base de la pieza estructural y al fundir simultáneamente encima el material adicional que sirve de base de apoyo funcional. La fase mixta quebradiza aprovechada según la invención es sólo rayada por medio de las cavidades generadas con un rayo rico en energía o bien es atravesada por dichas cavidades.
El procedimiento según la invención sirve preferiblemente para disponer una capa de cojinete liso como base de apoyo funcional en una disposición de cojinete de una pieza estructural fracturable. Respecto de la aplicación de la invención según la reivindicación 1, se parte de un estado de la técnica divulgado en el documento DE 43 03 592 A1 ya citado más arriba, que muestra una disposición de cojinete en una pieza estructural fracturable, configurada como una biela, con una línea de debilitamiento que está formada cerca de la superficie y por medio de al menos una cavidad para provocar una fisura en función de la fuerza de fractura en una zona de material quebradizo de la biela, presentándose una unión térmica positiva de material entre el material de base de la biela y un material adicional que forma como base de apoyo una capa de cojinete liso de la biela que es fracturada también al fracturar la biela.
En una aplicación de la invención para un producto con la disposición de cojinete conocida se han previsto según la invención varias cavidades que están dispuestas en fila y distanciadas mutuamente a través de puentes de unión, en donde la fase mixta formada por el material de base de la biela y la capa de cojinete liso en la unión térmica positiva de material forma la zona de material quebradiza.
La pieza estructural, configurada preferiblemente como una biela, está formada según otra propuesta por un material de hierro con un contenido de carbono C \approx 0,3 - 0,8%, estando constituida la capa de cojinete lisa dispuesta con unión térmica positiva de material por una aleación con una proporción principal de cobre o estaño o aluminio y contribuyendo adicionalmente a la fragilización unas adiciones de fósforo, arsénico o grafito.
En otra ejecución de la invención para producir una línea de debilitamiento en una pieza estructural o biela de un material de hierro se propone también que unas cavidades producidas por medio de un rayo para formar la línea de debilitamiento estén prolongadas, atravesando la capa de cojinete liso y la fase mixta quebradiza, en una capa de martensita adyacente que se ha hecho dúctil en función del calor, estando limitados los tramos de la cavidades en la martensita dúctil por una capa de martensita fragilizada que está unida con la fase mixta quebradiza.
Dado que la capa de martensita que se ha hecho dúctil a consecuencia de la influencia del calor ejercida durante la unión térmica positiva de material entre el material de base y el material adicional no propaga especialmente bien las fisuras iniciales, se puede superar este inconveniente con la invención disponiendo las cavidades en la capa de martensita dúctil de manera que atraviesen la fase mixta quebradiza para formar una capa de martensita fragilizada de limitación de las mismas, la cual sirve, juntamente con la fase mixta quebradiza, para la formación de fisuras iniciales o fisuras de arranque, por un lado, y para una excelente propagación de las fisuras de arranque en la capa de martensita dúctil, por otro lado. Eventualmente, las cavidades pueden estar dispuestas también atravesando la capa de martensita dúctil.
Como se desprende de otras reivindicaciones subordinadas, la invención puede aplicarse también a piezas estructurales de un metal ligero, especialmente una aleación de aluminio o un compuesto de titanio.
Se describe ahora la invención ayudándose de ejemplos de realización representados en el dibujo. Muestran:
La figura 1, una línea de debilitamiento formada según la invención con una fase mixta quebradiza entre un material de hierro como material de base y una aleación de cobre como base de apoyo funcional para un cojinete liso y
La figura 2, otra formación de una línea de debilitamiento por medio de una fase mixta quebradiza entre un metal ligero como material de base y una aleación de cobre-aluminio como base de apoyo funcional para un cojinete liso.
En un procedimiento para formar una línea de debilitamiento 1 en una disposición de cojinete fracturable 2 se forma la línea de debilitamiento 1 por medio de cavidades 4 próximas a la superficie y dispuestas en fila a distancia una de otra por medio de puentes de unión 3, concretamente en una zona de material quebradiza para lograr una fisuración dependiente de la fuerza de fractura en los puentes de unión 3. Dado que la totalidad de los puentes de unión 3 da como resultado una longitud más corta que la longitud o la anchura de la respectiva disposición de cojinete 2 o de la pieza estructural, se presenta al iniciarse una fractura la circunstancia de que la fuerza de fracturación aplicada generará primero en la línea de debilitamiento 1 acortada por los puentes de unión 3 unas fisuras de arranque que son decisivas para la posterior fracturación.
Para simplificar el procedimiento del género expuesto mediante la supresión de medidas adicionales se propone según la invención que la zona de material quebradizo sea generada como una fase mixta quebradiza 8 al efectuar una unión térmica positiva de material entre un material de base 6 de la pieza estructural o de la disposición de cojinete 2 y un material adicional 7 que sirve de base de apoyo funcional 6.
La invención hace uso del conocimiento de que la fase mixta quebradiza 8 se genera por medio de un rayo rico en energía, como, por ejemplo, un láser, al fundir el material de base 5 de la pieza estructural y al fundir simultáneamente encima el material adicional 7 que sirve de base de apoyo funcional 6.
Para lograr puentes de unión cortos 3 a fin de formar fisuras de arranque al aplicar una fuerza de fracturación se forman cavidades 4 a manera de agujeros ciegos por medio de un rayo rico en energía, concretamente de tal manera que estas cavidades atraviesen la fase mixta quebradiza 8.
El procedimiento según la invención se aplica preferiblemente a la disposición de una capa de cojinete liso 6 como base de apoyo funcional en una disposición de cojinete 2 de una pieza estructural fracturable que está configurada preferiblemente como una biela, en particular para motores de pistones alternativos, en donde con la fracturación de una disposición de cojinete 2 configurada como buje de biela se fractura también la capa de cojinete liso 6. En el caso de una fabricación de la biela con una disposición de cojinete 2 de un material de hierro con un contenido de carbono C \approx 0,3 - 0,8%, la capa de cojinete liso 6 dispuesta con unión térmica positiva de material puede fabricarse, por ejemplo, a base de CuAl 7-10 o de CuSN 8 o de CuSnP o finalmente de SnSb 7. Todos estos materiales de cojinete liso forman con el material de hierro, especialmente, por ejemplo, con un contenido de carbono de C \approx 0,7%, la fase mixta quebradiza 8 utilizada según la invención.
En una disposición de cojinete 2 de un material de hierro se forma durante la unión térmica positiva de material entre el material adicional 7 que sirve como base de apoyo funcional 6 y el material de base 5 o el material de hierro, por debajo de la fase mixta quebradiza 8, una capa de martensita 9 que se ha hecho dúctil en función del calor y que contrarresta una propagación de fisura progresiva. Para superar esto sin medidas adicionales se propone que unas cavidades 4 a manera de agujeros ciegos producidas por medio de un rayo, especialmente un rayo láser, para formar la línea de debilitamiento 1 se prolonguen, atravesando la capa de cojinete liso 6 y la fase mixta quebradiza 8, en la capa de martensita adyacente 9 que se ha hecho dúctil en función del calor, eligiéndose la aportación de energía por medio del respectivo rayo de modo que los tramos 4' de las cavidades 4 en la capa de martensita dúctil 9 estén limitadas por una capa de martensita fragilizada 10 que está unida con la fase mixta quebradiza 8. Estas fases de martensita fragilizadas 10 que limitan los tramos 4' de las cavidades 4 a manera de agujeros ciegos sirven, en combinación con los puentes de unión 3 formados en la fase mixta quebradiza 8, para formar fisuras de arranque, por un lado, y para propagar tales fisuras de arranque, por otro lado, en la capa de martensita dúctil 9.
Según la figura 2, el material de base 5 en la disposición de cojinete 2, por ejemplo para una biela de un motor de pistones alternativos no mostrado, es una aleación de metal ligero, por ejemplo un compuesto de aluminio o un compuesto de titanio. En el caso de una aleación de aluminio, la capa de cojinete liso 6 dispuesta con unión térmica positiva de material está constituida, por ejemplo, por CuAlFe o CuAlMn o CuAlSe. Para una disposición de cojinete 2 a base de un compuesto de titanio, la capa de cojinete liso 6 dispuesta con unión térmica positiva de material puede estar hecha, por ejemplo, de CuAlB o de AlSn 20, pudiendo estar previstas eventualmente adiciones de O_{2}, H_{2} o N_{2} o boro. La respectiva aleación de cojinete con una proporción principal de cobre o estaño o aluminio puede llevar, para una biela de metal ligero, adiciones de hierro o manganeso o silicio que refuercen adicionalmente la fragilización.
La selección anteriormente descrita de materiales de cojinete liso se ha efectuado de modo que al menos un componente de aleación refuerce la formación de la fase mixta quebradiza 8 en toda las disposiciones de cojinete 2 antes citadas, lo que eventualmente puede encontrar un refuerzo adicional por medio de una atmósfera gaseosa correspondiente al fundir el respectivo material de cojinete.

Claims (9)

1. Procedimiento para formar una línea de debilitamiento (1) en una pieza estructural fracturable, especialmente con una disposición de cojinete,
-
en el que, para producir una fisuración dependiente de la fuerza de fractura, se dispone en una zona de material quebradizo una línea de debilitamiento (1) formada cerca de la superficie por medio de cavidades (4) dispuestas en fila y distanciadas una de otra a través de puentes de unión (3),
caracterizado porque
-
la zona de material quebradizo se genera como una fase mixta quebradiza (8) al efectuar una unión térmica positiva de material entre un material de base (5) de la pieza estructural (2) y un material adicional (7) que sirve de base de apoyo funcional (6).
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la fase mixta quebradiza (8) se genera por medio de un rayo rico en energía al fundir el material de base (5) de la pieza estructural y al fundir encima al mismo tiempo el material adicional (7) que sirve de base de apoyo funcional (6).
3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque
-
las cavidades (4) se producen con un rayo rico en energía de tal manera que
-
la fase mixta quebradiza (8) quede rayada por las cavidades (4) y/o sea atravesada por éstas.
4. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por la disposición de una capa de cojinete liso (6) como base de apoyo funcional en una disposición de cojinete (2) de una pieza estructural fracturable.
5. Disposición de cojinete (2) en una pieza estructural fracturable configurada como una biela, con una línea de debilitamiento (1) que está formada cerca de la superficie por medio de al menos una cavidad para producir una fisuración en función de la fuerza de fractura en una zona de material quebradizo de la biela, en donde se presenta una unión térmica positiva de material entre el material de base (5) de la biela y un material adicional que forma como base de apoyo una capa de cojinete liso (6) de la biela que se fractura también durante la fracturación, caracterizada porque están previstas varias cavidades (4) que están dispuestas en fila y distanciadas una de otra por medio de puentes de unión (3), en donde la fase mixta (8) formada por el material de base (5) de la biela y la capa de cojinete liso (6) durante la unión térmica positiva de material constituye la zona de material quebradizo.
6. Disposición de cojinete según la reivindicación 5, caracterizada porque
-
la biela está formada por un material de hierro con un contenido de carbono C \approx 0,3 - 0,8%, en donde
-
la capa de cojinete liso (6) dispuesta con unión térmica positiva de material consiste en una aleación con un componente principal de cobre o estaño o aluminio,
-
contribuyendo adicionalmente a la fragilización unas adiciones de fósforo o arsénico o grafito.
7. Disposición de cojinete según la reivindicación 6, caracterizada porque
-
unas cavidades (4) a manera de agujeros ciegos producidas por medio de un rayo para formar la línea de debilitamiento (1) se prolongan, atravesando la capa de cojinete liso (6) y la fase mixta quebradiza (8), en una capa de martensita adyacente (9) que se ha hecho dúctil en función del calor,
-
estando limitados los tramos (4') de las cavidades (4) en la martensita dúctil (9) por una capa de martensita fragilizada (10) que está unida con la fase mixta quebradiza (8).
8. Disposición de cojinete según la reivindicación 5, caracterizada porque
-
la biela está formada por un metal ligero, especialmente una aleación de alumi- nio,
-
consistiendo la capa de cojinete liso (6) dispuesta con unión térmica positiva de material en una aleación con una proporción principal de cobre o estaño o aluminio, y
-
contribuyendo adicionalmente a la fragilización unas adiciones de hierro o manganeso o silicio.
9. Disposición de cojinete según la reivindicación 5, caracterizada porque
-
la biela está formada por un compuesto de titanio,
-
consistiendo la capa de cojinete liso (6) dispuesta con unión térmica positiva de material en una aleación con una proporción principal de cobre o estaño o aluminio y
-
contribuyendo adicionalmente a la fragilización unas adiciones de O_{2} o_{ }H_{2} o N_{2} o boro.
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